脉冲放电等离子体技术处理偶氮染料废水

1、-脉冲放电等离子体技术处理偶氮染料废水 第33卷?第2期2007年5月 大连海事大学学报JournalofDalianMaritimeUniversity Vol.33?No.2May?2007 文章编号:1006-7736(2007)02-0067-04 张?丽,孙?冰,朱小梅 (大连海事大学环境科学与工程学院,辽宁大连?116026) ? 摘要:为有效处理染料废水,以甲基橙和刚果红溶液为例研究高压脉冲放电等离子体技术的脱色效果.通过 测定脉冲放电处理前后甲基橙和刚果红溶液的紫外-可见吸收光谱来计算脱色率,考察放电参数、添加剂对染料脱色率的影响.实验结果表明,脉冲放电对甲基橙和刚果红溶液脱色

2、效果显著,且相同条件下甲基橙(单偶氮)比刚果红(双偶氮)脱色率高.两者脱色率均随峰值电压、脉冲频率的增大而提高,随溶液电导率的增大而降低,随H2O2的加入而提高.当电极间距由15mm增大到25mm时,放电形式也由火花放电逐渐向电晕放电转变,溶液的脱色率由90%降到44%. 关键词:脉冲放电;等离体技术;偶氮染料;脱色;紫外-可见吸收光谱中图分类号:X131.2;O539?文献标志码:A 0?引?言 染料废水中包含的染料主要有偶氮染料、蒽醌染料、芳甲烷染料、杂环染料等.绝大部分偶氮染料是芳香胺经重氮化后与酚类、芳香胺类、具有活性的亚甲基化合物耦合而成,并且被广泛应用于纺织、造纸、制药等工业.大多

3、数偶氮染料有三致(致癌、致突变、致畸)作用,而且这些产品正朝着抗光解、抗氧化、抗生物降解的方向发展,从而使染料废水的处理难度加大. 目前国内外对于染料废水的治理仍以传统的生化法为主,化学或物理法为辅.传统治理法由于 1 成本高,容易产生二次污染等缺点而受到限制.因此研究开发高效、环保的废水处理技术具有重要的实际意义.高压脉冲放电等离子体技术是一种高效率、无选择性、操作简单的环保新技术,引 2-4 起人们的广泛关注.高压脉冲放电水处理是利用储存在电容器的能量瞬间释放出来产生脉冲电压形成放电,产生?OH、O3等强氧化活性物质来破坏染料中的发色基团,从而达到脱色目的 2,5-8 本文以具有典型偶氮结

4、构的甲基橙(单偶氮)和刚果红(双偶氮)溶液为研究对象,研究高压脉冲放电对二者的脱色效果,以及放电参数、添加剂对二者脱色率的影响. 1?实验部分 1.1?实验装置 实验装置如图1所示:放电反应器为内径33mm的圆柱形有机玻璃筒,高41mm.放电电极为直径1mm的铂电极;接地电极为直径23mm的不锈钢圆盘.脉冲电压峰值060kV可调;脉冲频率0300Hz可调 . 图1?实验装置示意图 . 1.2?实验分析 甲基橙(MO)和刚果红(CR)溶液均用蒸馏水 ?收稿日期:2007-03-26? 作者简介:张?丽(1978-),女,辽宁大连人,博士研究生,E-mail:zl324621newmail.dlm

5、; ?(),Eedu. ?68?大连海事大学学报?第33卷?配制.DDS-11A型数显电导率仪测定溶液的电导率.用JASCOV-550紫外-可见分光光度计(日本分光株式会社)测定处理前甲基橙和刚果红溶液的吸收光谱,确定甲基橙和刚果红溶液的最大吸收波长分别为464nm、504nm.通过测定高压脉冲放电处理前后甲基橙和刚果红溶液在最大吸收波长处的吸光度来计算二者的脱色率,公式为 脱色率(%)=(A0-A)?A0?100%其中:A0为反应前吸光度;A为反应后吸光度. 图3?脉冲频率对甲基橙和刚果红脱色的影响 溶液电导率对染料脱色的影响如图4所示.电导率增加,体系中的带电离子增多,使得

6、在相同的外加电压下,放电产生的等离子体通道的长度变短,等离子体通道的分枝减少,染料脱色率随之降低. 7 2?结果与讨论 2.1?脉冲峰值电压对偶氮染料脱色的影响 图2为脉冲峰值电压对甲基橙和刚果红脱色率的影响.由图2可知,脉冲放电对染料脱色效果显著,二者脱色率随脉冲峰值电压增大而升高.这是由于提高脉冲电压,不仅使向体系内注入的能量增加,同时提高了电极间的电场强度,导致放电过程中产生的?OH、臭氧等强氧化基团的数量增加,从而促进染料的降解.在相同电压下,甲基橙比刚果红的脱色率大,这是因为单偶氮结构比双偶氮结构稳定性差.单偶氮的甲基橙比双偶氮的刚果红更易被降解 . 图4?电导率对甲基橙和刚果红脱色

7、的影响 2.4?电极间距对偶氮染料脱色的影响 甲基橙的脱色率随电极间距的变化如图5所示.当电极间距由15mm增大到25mm时,电压24kV频率50Hz放电处理5min,甲基橙脱色率由90.57%降到44.21%.这是因为电极间距越小,电极间的等离子通道越易形成,等离子体效应 9 和光化学效应等综合效应越强,染料的脱色率越大.当电极间距由15mm增大到25mm时,放电形式已由火花放电逐渐向电晕放电转化,电晕放电产生的(?OH)等强氧化基团远少于火花放 图2?脉冲峰值电压对甲基橙和 刚果红脱色的影响 电,从而大大降低染料的脱色率. 2.2?脉冲频率对偶氮染料脱色的影响 图3为脉冲频率对甲基橙和刚果

8、红脱色率的影响.随着脉冲频率的增大,溶液脱色率均提高.这是由于脉冲放电频率决定了单位时间内向染料废水体系中注入能量的多少.提高脉冲放电频率使单位时间内产生的高能电子数量增加,产生的羟基自由基、活性氧、臭氧等强氧化剂数量增加,加速染料的降解,因此染料的脱色率随频率增加而增加.但是当脉冲频率由25Hz提高到75Hz,放电处理5min时,甲基橙的脱色率仅由81%提高到91%,由此可见染料脱色率的增加与脉冲频率的提高并不成正比关系. 2. 3 图5?电极间距对甲基橙溶液脱色的影响 2.5?H2O2对偶氮染料脱色的影响 如图6所示,向甲基橙和刚果红溶液中加入H2O2但不放电,脱色率很低;加入H2O2然后

9、进行放电处理,脱色率可得到有效提高.溶液脱色率顺序为:H2O2+放电>只放电>只加入H2O2;而且加入H2O2再进行放电处理的脱色率比只放电 H2O2+h?OH+?OH ?OH与偶氮染料分子中的偶氮键反应,从而提高了反应速率,加快溶液脱色 . 图7?甲基橙溶液在放电处理前后的 紫外- 可见吸收光谱 也有部分芳烃或多环芳烃的环结构被破坏 . 图6?过氧化氢对甲基橙和刚果红脱色的影响A:只加H2O2B:放电C:H2O2+放电(MO)D:只加H2O2E:放电F:H2O2+放电(CR) 图8?刚果红溶液在放电处理前后的 紫外-可见吸收光谱 2.6?偶氮染料经过放电处理前后光谱变化 印染废水

10、中染料的颜色来源于染料分子的共轭体系,即发色体.发色体是含有不饱和基团-N=N-、-C=C-、-N=O等的发色体系.甲基橙和刚果红溶液在放电处理前及处理3min后的紫外-可见吸收光谱分别见图7、8.由图可见,甲基橙和刚果红分别在464nm、504nm具有特征吸收峰,此吸收峰与整个染料分子中的强生色基团偶氮双键有关;在280nm(甲基橙)和340nm(刚果红)处的吸收对应于芳烃或多环芳烃与一些生色基团相互作用的拓展吸收峰;220nm(甲基橙)、240nm(刚果红)左右的吸收归属于芳烃或多环芳烃的本征吸收 10 3?结?论 (1)高压脉冲放电能有效破坏染料分子的发 色基团,对偶氮染料脱色效果显著.

11、且在相同条件下,单偶氮染料的脱色率高于双偶氮染料的脱色率. (2)随着脉冲放电的峰值电压和频率的增大,偶氮染料的脱色率升高.随着偶氮染料溶液电导率的增大,染料的脱色率降低. (3)电极间距的改变会直接导致放电形式的变化,当放电形式由火花放电逐渐向电晕放电转变时,产生的强氧化性基团减少,溶液的脱色率随之降低. (4)向偶氮染料中加入H2O2后再进行放电处理产生大量?OH,从而使偶氮染料脱色率得到明显提高. (5)甲基橙和刚果红溶液在不同放电处理时间的紫外-可见吸收光谱显示:二者在可见区的特征吸收峰均减弱,表明它们的发色基团受到强氧化基团的破坏. .经过脉冲放电处理 后,二者在可见区的特征吸收峰均

12、减弱.这是因为放电产生大量氧化能力极强的?OH,?OH无选择性地攻击染料分子,将发色基团偶氮键破坏.在相同时间下,甲基橙偶氮双键的破坏程度明显大于刚果红.刚果红和甲基橙溶液在200nm和300nm左右的吸收也减弱,说明在破坏双键的同时 参考文献(References): 1陶长元,刘作华,李晓红,等.超声波促进Fenton法脱色甲基橙溶液的研究J.环境科学,2005,26:111-114. TAOCY,LIUZH,LIXH,etal.Studyonultrasound-assisteddecolorizationofmethylorangewithfentonreagentJ.EnvironS

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18、NGLi,SUNBing,ZHUXiao-mei (CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)Abstract:Ahigh-voltagepulseddischargeplasmatechnologywasstudied.Methylorange(MO)andcongored(CR)solutionwereselectedasexamplestoinvestigatethedecolorizationratebythemethodproposedtotreatazodyingwastewater.ThedecolorationratewasobtainedthroughtheUV-VISspectrogramsofthesolutionbeforeandafterdischarge,theinfluenceofdischargeparameterandadditivewa